稳定碳、氮同位素在生态系统研究中的应用

在简要介绍了稳定同位素测定方法之后 ,对稳定碳、氮同位素在生态系统领域中关于系统的碳源、能量流动、营养结构、污染物的生物放大作用及系统稳定性变化的应用研究作了较为系统的论述 ,并对稳定碳、氮同位素在赤潮研究、环境污染治理、生态动力学建模及有机分子化合物系列示踪技术等方面的应用提出展望     

稳定碳、氮同位素在河流系统研究中的应用

对天然存在的稳定碳、氮同位素在河流系统中的有机物质(POM和DOM)来源、转换和运移规律及其与沿岸生态系统的关系、河口区不同来源颗粒有机质的混合过程、河流系统中富营养化的污染来源和土壤中的微生物过程、系统中的营养行为和食物来源途径以及河流有机物质在陆架上的分配、积累和运移规律的应用研究作了较为系统的论述。     

中国北方沿海3种养殖扇贝碳、氮稳定同位素的组成特征

应用元素分析和稳定同位素质谱联用技术(EA-IRMS)对中国北方不同养殖地区的虾夷扇贝(Patinopecten yessoensis)、栉孔扇贝(Chlamys farreri)和海湾扇贝(Argopecten irradians)闭壳肌的碳、氮稳定同位素进行了测定,分析3种养殖扇贝的碳、氮稳定同位素组成特征。结果显示,青岛和獐子岛虾夷扇贝闭壳肌的?13C和?15N均差异性显著,长岛和旅顺栉孔扇贝闭壳肌的?15N差异性显著,莱州、牟平和旅顺海湾扇贝闭壳肌的?13C和?15N均差异性显著。闭壳肌的碳、氮稳定同位素组成能有效区分不同产地来源的3种养殖扇贝。     

采用碳氮稳定同位素技术对黄海中南部鳗鱼食性的研究

根据2005年4～5月在黄海和长江口海域进行的春季底拖网调查，应用稳定同位素方法研究了黄海中南部鯷鱼（Engraulis　japonicus）及其可能摄食饵料的碳氮稳定同位素比值，结果表明：（1）黄海中南部鯷鱼的食物组成为不同粒径的浮游动物、太平洋磷虾（Euphausia pacifuca）和仔稚鱼，其中以粒径为500-900μm的浮游动物为主，贡献比例占61％～84％；仔稚鱼贡献比例占16％～21％，较传统胃含物方法分析的结果小；（2）黄海中部海域鯷鱼的碳氮稳定同位素比值平均值较南部海域高，原因可能与各海域的能量来源不同或存在微食物环有关，也可能与不同海域鯷鱼的能量转换途径不一样，即与食物链长短不一有关．     

轻元素稳定同位素的标准评述

标准物质在稳定同位素分析的质量保证体系以及分析数据的可比性方面起着关键性作用，因此标准物质的研制具有重要意义。本文评述了国际上在轻元素（氢、碳、氮、氧和硫）稳定同位素标准物质研制方面的最新进展。     

海水中溶解态铵盐氮同位素分析的预处理方法

以蒸馏法为基础, 研究了适合海水中铵盐稳定氮同位素分析的预处理方法。对蒸馏法预处理过程中的最佳蒸馏时间、沸石的选取、铵盐最适浓度范围等分别进行改进和优化, 获得稳定、高效的海水中铵盐氮稳定同位素分析预处理方法。结果表明: 最佳蒸馏时间为50 min, 铵盐的回收率为(97±5.8)%。测定了不同沸石对不同浓度氨氮的吸附率, 筛选出酸性条件下铵氮吸附效率较高且稳定的康华科技沸石; 确定铵盐的最佳适用浓度范围为2～10 μmol/L, 在该浓度范围内氮回收率94%～99%,氮分馏系数为0.1‰～0.8‰。将此方法应用于长江口海域水样分析, 结果表明, 这一方法可以应用于河口中铵盐的氮同位素分析, 能够为河口中溶解态氮的来源及循环机理等研究提供有效信息。     

长江口海域悬浮颗粒有机物的稳定氮同位素季节分布与关键生物地球化学过程

对2010年2、5、8、11月份长江口海域水体中的悬浮颗粒物进行稳定氮同位素分析。根据不同季节、不同区域内悬浮颗粒有机物的稳定氮同位素组成(δ15 Np)值的变化研究水体中氮的迁移、转化等生物地球化学过程,揭示其环境行为,从而对该海域的氮循环机制进行探索。研究发现:长江口海域悬浮颗粒物的稳定氮同位素组成具有较宽的分布范围,δ15 Np值分布范围为-1.1‰~8.6‰,具有明显的时空分布特点,反映了不同程度的陆源输入和氮的生物地球化学过程的影响。其中,2月份生物反应较弱,δ15 Np分布体现了陆源和海源的混合特征;5月和11月份上层水体δ15 Np随叶绿素a升高而降低,指示了生物的同化吸收作用;8月和11月δ15 Np和总溶解无机氮呈现极显著正相关关系,说明该海域发生了氮的矿化再生。     

不同蛋白源对军曹鱼幼鱼碳、氮稳定同位素分馏的影响

为研究饲料中不同蛋白源对军曹鱼幼鱼碳、氮稳定同位素分馏的影响,配制3种等氮等能饲料。D1以鱼粉为蛋白源,D2和D3饲料中分别以啤酒酵母和玉米蛋白替代10%的鱼粉蛋白,投喂幼鱼24d。结果表明,啤酒酵母和玉米蛋白替代10%的鱼粉蛋白后,幼鱼的体质量增加率显著下降。随养殖时间的延长,所有处理组幼鱼的碳稳定同位素比率δ13C逐渐上升而氮稳定同位素比率δ15N逐渐下降;虽然全鱼和肌肉δ15N的变化速度存在差异,但各饲料组全鱼和肌肉的δ13C和δ15N都在24d后与饲料达到平衡。当饲料中10%的鱼粉蛋白被啤酒酵母和玉米蛋白替代之后,幼鱼肌肉和全鱼样品与饲料相比的碳同位素富集Δ13C值下降,而氮同位素富集Δ15N值则上升。其中全鱼Δ13C从4.19‰分别下降到3.94‰和3.63‰,肌肉Δ13C从4.46‰分别下降到3.98‰和3.67‰;全鱼Δ15N从0.18‰分别增加到0.88‰和0.94‰,肌肉Δ15N从0.18‰分别增加到0.74‰和0.87‰。军曹鱼在摄食3种不同蛋白源饲料时,其全鱼和肌肉的Δ13C和Δ15N的变化趋势相似,但全鱼δ15N的变化速度慢于肌肉。据此可推断,肌肉可在生态学营养级研究(长时间尺度)中代表军曹鱼的碳、氮同位素特征;但在代谢生理学研究中(短时间尺度),肌肉就无法准确反映军曹鱼全鱼的δ15N变化过程。     

采用碳氮稳定同位素技术对黄海中南部鳀鱼食性的研究

根据2005年4~5月在黄海和长江口海域进行的春季底拖网调查,应用稳定同位素方法研究了黄海中南部鳀鱼(Engraulis japonicus)及其可能摄食饵料的碳氮稳定同位素比值,结果表明:(1)黄海中南部鳀鱼的食物组成为不同粒径的浮游动物、太平洋磷虾(Euphausia pacifica)和仔稚鱼,其中以粒径为500~900μm的浮游动物为主,贡献比例占61%~84%;仔稚鱼贡献比例占16%~21%,较传统胃含物方法分析的结果小;(2)黄海中部海域鳀鱼的碳氮稳定同位素比值平均值较南部海域高,原因可能与各海域的能量来源不同或存在微食物环有关,也可能与不同海域鳀鱼的能量转换途径不一样,即与食物链长短不一有关.     

水体沉积物中有机碳和有机分子碳稳定同位素研究进展

有机碳是指存在于沉积物总有机质(TOC)中的碳。由于同位素之间的物理、化学性质的不同,生物在生存活动过程利用环境中碳的同时改变了其同位素的比值,即产生同位素效应(isotopic effect)。通过检测来自于生物有机质中的碳同位素比值,就有可能对沉积物所在地的环境变化信息进行重     

Correlations between benthic habitats and demersal fish assemblages — A case study on the Dogger Bank (North Sea)

The interdependence between groundfish assemblages and habitat properties was investigated on the Dogger Bank in the North Sea. Abiotic habitat parameters considered included topography, hydrographic conditions, sediment composition, and the biotic habitat variable the prevailing benthic invertebrates. Distinct epi- and infauna communities occurred at different locations on the Dogger Bank. Fish assemblages were clearly linked to both the biotic and abiotic habitat characteristics.Overall, fish and benthic communities revealed similar spatial distribution, represented in the respective clusters of characteristic and abundant species. Distribution patterns corresponded with the prevailing abiotic conditions such as depth and sediment composition, which appear to relate to autecological preferences of individual species.The apparently most generalist species, grey gurnard (Eutrigla gurnardus) and dab (Limanda limanda) occurred at all stations and dominated in terms of biomass in most cases. The absolute numbers of grey gurnards were related to the abundance of suitable prey, invertebrate and fish species, which stomach analyses revealed as part of the diet in an independent study during the same research cruise. Haddock (Melanogrammus aeglefinus) and whiting (Merlangius merlangus) were only abundant at deep stations along the flanks of the bank. The occurrence of lemon sole (Microstomus kitt), American plaice (Hippoglossoides platessoides) and cod (Gadus morhua) was also positively correlated with depth, whereas especially lesser weever (Echiichthys vipera), sandeel species and solenette (Buglossidium luteum) occurred predominantly at the shallower sites. At the same time, individual fish species such as solenette and lesser weever were associated with high densities of selected epi- or infauna species.     

Juvenile life history of NE Atlantic orange roughy from otolith stable isotopes

Otoliths of pre-recruit orange roughy (Hoplostethus atlanticus) were sampled from different deep-water habitats (‘flat’ and ‘hill’) and areas (north and south) on the Porcupine Bank. Age-based profiles for stable isotopes of carbon (δ¹³C) and oxygen (δ¹⁸O) in these otoliths were developed, which provide a fish life-history record of water depth and metabolic activity. These profiles were consistent among all individuals implying endogenous (ontogenic) influences on the pattern. The data indicate that post-larval orange roughy are mesopelagic active foragers, early juvenile fish move into a low energy deep-demersal phase, and older pre-recruit orange roughy assume the habitat depth and metabolic rate typical of adults. Comparison of otolith stable isotope profiles among areas and habitats on the Porcupine Bank suggest that juvenile orange roughy from South ‘hill’ and ‘flat’ habitats experience differing temperature and metabolic status at certain life stages. This may reflect oceanographic and ecological divergence between the two environments and suggests fine-scale population structure that may reduce resilience to exploitation.     

中国典型水域磺胺类合成药物的环境生物地球化学特征

作为广谱抗菌的人工合成药物——磺胺类(SAs)是应用最早的一类人工合成抑菌剂之一,被广泛用于人类医疗、禽畜及水产养殖等。大量磺胺类药物的应用随代谢进入水环境中,对水生生态系统和人类健康产生重要影响并构成潜在风险,截至目前,这些影响和风险并未被探明。因此,对8种典型磺胺类合成药物在我国典型水环境中的分布特征进行了阐述,评估了它们对不同水生生物的生态毒性及生态风险,并诠释了它们在生物体内的代谢及其在生态系统中的降解途径。结果表明,不同水环境中磺胺类合成药物的浓度分布差异显著,磺胺甲恶唑和磺胺嘧啶分别在水体及沉积物中的浓度和污染程度最高;水体藻类是磺胺类合成药物最敏感的水生物种,其次是甲壳类和鱼类,磺胺甲恶唑对水生生态系统构成高风险;磺胺类合成药物进入体内后被代谢成不同的产物,与母体合成药物一同进入水环境中经历降解过程;生物降解是水生生态系统中磺胺类合成药物去除的主要途径,不同种细菌、真菌及藻类均可降解磺胺类合成药物。在以后的研究中,应当进一步加强磺胺类合成药物对水生生物的慢性毒性以及合成药物混合毒性的研究,明晰水环境磺胺类合成药物的分布-代谢-传输-效应的综合过程,探析磺胺类合成药物在水生...     

双锯鱼(Amphiprion)胚胎不同发育阶段和成鱼不同组织中内参基因的筛选及应用

双锯鱼(Amphiprion)亦称为海葵鱼,又称为小丑鱼,是一类经济价值较高的海水观赏鱼。目前国内在双锯鱼的胚胎发育、人工饲养以及形态学观察等方面已经取得了有效成果,但在分子生物学水平上对其基因表达的研究较少。为了筛选出适用于双锯鱼胚胎不同发育阶段以及成鱼组织的内参基因,分析酪氨酸酶(TYR)基因的表达情况,以眼斑双锯鱼(A.ocellaris)和白条双锯鱼(A.frenatus)为材料,利用实时定量聚合酶链式反应(qPCR)对18SrRNA、GAPDH(甘油醛-3-磷酸脱氢酶基因)、Ef-1α(转录延伸因子基因)和β-actin(β-肌动蛋白基因)这4个候选内参基因的表达水平进行检测,同时通过geNorm和Norm Finder软件对其稳定性进行评估,最后以合适的内参基因作为参考,研究TYR mRNA的表达水平。结果表明,在双锯鱼胚胎的不同发育阶段,18S和β-actin的表达量相对于其他基因较为稳定;在双锯鱼的不同组织中,稳定性依次为18S>β-actin>Ef-1α>GAPDH。以18S作为内参基因时分析发现TYR基因的表达在双锯鱼胚胎发育过程中呈先上升后下降的趋势,在体节期表达量最高;在双锯鱼各组织中均有表达,且在眼、尾和红皮中表达量最高。     

Hg对锦州湾表层沉积物异养细菌代谢酶活性的影响研究

为了解重金属Hg对锦州湾海域表层沉积物中异养细菌的主要代谢酶的影响,采用Hakanson潜在生态危害指数法对锦州湾表层沉积物中重金属Hg开展潜在生态风险评价,利用平板扩散法测定了9个站位沉积物中异养细菌四种水解酶活性。结果显示:锦州湾海域表层沉积物中重金属污染严重,Hg的含量和潜在生态危害河口最为严重,向外逐步递减,表明本海域表层沉积物中的Hg主要由陆源输入;表层沉积物中异养细菌水解酶活性与抗性异养菌比例均表现为西南部河口区高于东北部外海海域,与重金属Hg的含量分布及Hakanson潜在生态危害指数基本相似,这表明长期高浓度的重金属污染,改变了锦州湾海域表层沉积物中的异养菌的生理代谢过程,在生理或遗传物质上对重金属产生了一定的抗性;磷酸酶、蛋白酶、脂肪酶与沉积物中Hg的含量具有显著正相关性,说明其对重金属Hg较为敏感,在一定程度上可作为反映锦州湾海域沉积物中重金属Hg污染状况的生物学指标。     

Metabolic responses in gills of Manila clam Ruditapes philippinarum exposed to copper using NMR-based metabolomics

Copper is an important heavy metal contaminant with high ecological risk in the Bohai Sea. In this study, the metabolic responses in the bioindicator, Manila clam (Ruditapes philippinarum), to the environmentally relevant copper exposures were characterized using NMR-based metabolomics. The significant metabolic changes corresponding to copper exposures were related to osmolytes, intermediates of the Krebs cycle and amino acids, such as the increase in homarine, branched chain amino acids and decrease in succinate, alanine and dimethylamine in the copper-exposed clam gills during 96 h exposure period. Overall, Cu may lead to the disturbances in osmotic regulation and energy metabolism in clams during 96 h experimental period. These results demonstrate that NMR-based metabolomics is applicable for the discovery of metabolic biomarkers which could be used to elucidate the toxicological mechanisms of marine heavy metal contaminants.     

基于时序相关性分析方法的浮标异常数据识别

海洋生态浮标异常数据的实时早期监测识别是保证观测数据质量的关键。本研究通过对浙江沿海浮标多年数据的分析,发现了与传统跳变异常数据不同的渐变异常数据类型。该异常类型呈现出在时序变化过程中连续平稳,但随时间逐渐偏移,最后整体偏离正常的分布特征,并且单一参数的分析方法无法对此异常进行有效识别。因此本研究利用海洋环境参数中酸碱度(pH)、溶解氧(DO)和叶绿素(Chla)三者的多参数相关性规律,提出了在一定时序上两两参数间相关性是稳定甚至是一致的假设,将8 天时间窗口的两两相关系数(R_{8 d})和前后两天R_{8 d}之差的绝对值(ΔR)作为相关性和稳定性核心指标,建立了基于相关性的渐变异常数据自动识别方法。为浮标传感器渐变异常的早期识别提供了一个新的思路,有助于提升海洋生态浮标异常数据的自动化监测能力。     

碳氮稳定同位素比值在潮间带大型底栖动物组织间差异性研究

近年来,稳定同位素技术已被广泛应用于食物网研究中。然而,生物样品取样部位对食物网构建的影响的研究相对少见。大型底栖动物作为潮间带食物网的重要组成部分,在食物网研究中有必要对其采样部位进行统一,以增加研究结果的准确性及可比较性。本研究选取黄河三角洲和烟台潮间带10种代表性的大型底栖动物,比较δ13C和δ15N在不同采样部位中的差异。结果显示,对于大多数底栖动物而言,采样部位将直接影响到δ13C和δ15N的测定结果。当底栖动物作为摄食者,需分析其食性和营养级时,应统一采用肌肉组织,如贝类的闭壳肌或足部肌肉,蟹类的鳌足肌肉,鱼类的背部肌肉;当底栖动物作为被摄食者,需分析次级消费者的食性和营养级时,除多毛类采用去除消化道内容物的体壁外,其他种类应选取整体（难以被消化的组织除外）,如贝类的软体部,蟹类肌肉与鳃等的混合组织。     

基于宏基因组测序研究中太平洋海山富钴结壳区非培养微生物生态功能

富钴结壳是一种重要的海底矿产资源.富钴结壳是生物地球化学和微生物学的研究热点,但目前我们对富钴结壳区的微生物群落结构仍缺乏认识.本研究针对中太平洋海山富钴结壳区沉积物,采用非培养方法获得微生物基因组信息并分析其生态学功能.采用PCR的方法筛选得到78个带有16S rRNA基因的克隆.变形杆菌门和奇古菌门MGI类群分别为古菌和细菌的主要类群.测序并分析了9个带有16S rRNA 基因的fosmid克隆.这些克隆中含有较多的代谢相关和重金属抗性相关基因,表明多样的代谢和抗逆途径在微生物适应富钴结壳环境中发挥了重要作用.代谢途径分析表明,氮循环是富钴结壳区一种重要的生物地球化学过程.此外,发现多个水平基因转移事件,这些基因大部分转移自细菌,少量转移自古菌或植物.比较基因组分析表明,属于奇古菌门MGI类群的克隆W4-93包含一段共线性的基因簇.以上结果说明水平基因转移和基因组分歧进化在微生物适应深海环境过程中发挥了重要作用.     

Oil well produced water discharges to the North Sea. Part II: comparison of deployed mussels (Mytilus edulis) and the DREAM model to predict ecological risk

Large volumes of water often are produced with oil and gas from offshore platforms. The produced water is separated from the oil and gas and either reinjected into a deep formation or discharged to the ocean. The Norwegian oil and gas industry advocates ecological risk assessment as the basis for managing produced water discharges to the North Sea. In this paper, we compare estimates of ecological risks to water-column communities based on data on hydrocarbon residues in soft tissues of blue mussels deployed for a month near offshore platforms and based on predictions of the Dose related Risk and Effect Assessment Model (DREAM). The study was performed near produced water discharges to the Tampen and Ekofisk Regions of the Norwegian Sector of the North Sea. Because polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) are considered the most important contributors to the ecological hazard posed by produced water discharges, comparisons made here focus on this group of compounds. The mussel approach is based on predicted environmental concentrations (PECs) of individual PAH, estimated from PAH residues in mussels following deployment for a month near several produced water discharges, and predicted no effects concentrations (PNECs) based on a K(ow) regression model. In the DREAM method, PECs for three PAH fractions are estimated in the three-dimensional area around produced water discharge with the DREAM model. PNECs for each fraction are based on the chronic toxicity of a representative PAH from each fraction divided by an assessment factor to account for uncertainty in the chronic value. The mussel method gives much lower estimates of ecological risk than the DREAM method. The differences are caused by the much lower PNECs used in DREAM than derived from the regression model, and by the lower concentrations of aqueous PAH predicted by DREAM than estimated from PAH residues in mussel tissues. However, the two methods rank stations at different distances from produced water discharges in the same order and both identify 2- and 3-ring PAHs as the main contributors to the ecological risk of produced water discharges. Neither method identifies a significant ecological risk of PAH in the upper water column of the oil fields. The DREAM model may produce an overly conservative estimate of ecological risk of produced water discharges to the North Sea.